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Risposta sismica locale e dinamica delle strutture


 

METODOLOGIA DI SUPPORTO ALLA VERIFICA DELLA VULNERABILITÀ SISMICA

Le recenti normative e gli ultimi eventi che hanno interessato il territorio nazionale impongono una maggiore considerazione dell’aspetto sismico del territorio e una maggiore attenzione alla vulnerabilità sismica delle opere di ingegneria civile ubicate sullo stesso.

 

Se da una parte sempre più passi avanti sono stati e vengono fatti nella conoscenza del primo aspetto, sia dal punto di vista dell’interpretazione storico-probabilistica degli eventi sismici (macrosismicità) che dal punto di vista del comportamento dinamico locale dei terreni (microsismicità), dall’altra ancora molto indietro si è nella definizione della vulnerabilità sismica del patrimonio edilizio. Tale carenza non affligge soltanto il patrimonio privato ma anche quello pubblico, con il risultato che ancora oggi di molte scuole, ospedali, infrastrutture, monumenti non si conosce assolutamente il comportamento nel caso fossero investite dall’energia meccanica provocata da un sisma.

 

In questo documento sintetico si propone una metodologia integrata a supporto della verifica sismica delle opere di ingegneria civile a partire dalla ricostruzione del modello sismostratigrafico della geologia locale, per arrivare alla definizione del comportamento dinamico delle opere di ingegneria civile, passando per la scelta dell’azione sismica più appropriata.

 

Nel caso di un evento sismico l’energia meccanica che investe un territorio, sia dal punto di vista dell’intensità che da quello del contenuto in frequenza, dipende oltre che dalle caratteristiche di partenza (meccanismo focale) anche dalla distanza ipocentrale e dalle litologie attraversate dalle onde sismiche. In questo ultimo aspetto molta importanza riveste l’ultimo tratto di percorso effettuato dall’energia sismica, specialmente per i terreni su cui poggiano le opere ingegneristiche che, come oramai è conosciuto da vari decenni, sono in grado di amplificare l’energia sismica anche in maniera sensibile.

 

Affrontare la problematica della vulnerabilità sismica di una determinata opera ingegneristica significa approfondire tre aspetti diversi ma strettamente interconnessi: ricostruzione del modello sismostratigrafico dei terreni sottostanti l’opera, che permette di definire come le onde sismiche provenienti da una zona sismogenetica vengono modificate e senza il quale è praticamente impossibile implementare un altro dei tre aspetti della problematica e cioè la ricostruzione dell’azione sismica locale, e per ultimo la definizione del comportamento dinamico della struttura ingegneristica, ricostruendone forme modali, frequenze e smorzamenti.

 

Approfondiamo i vari aspetti del problema.

 

Le indagini più utili ed economiche volte alla ricostruzione del modello sismostratigrafico locale sono quelle geofisiche, che ci permettono di determinare la successione dei terreni in termini di profilo della velocità delle onde S (e di conseguenza anche il parametro Vs30, richiesto dalle normative vigenti). Queste indagini si dividono in due gruppi principali a seconda che le onde utilizzate per l’interpretazione siano provocate artificialmente (sismica attiva) o siano quelle appartenenti al campo dei microtremori ambientali (sismica passiva). Ognuna di queste metodologie presenta dei vantaggi, legati specialmente alla rapidità ed economicità, e degli svantaggi legati al fatto che si tratta di prove indirette. Fanno eccezione le prove sismiche in foro tipo Down-Hole e Cross-Hole dove la velocità delle onde S è misurata direttamente, ma dove gli svantaggi principali sono rappresentati dagli alti costi di preparazione e dalla superficialità dell’indagine, superabile solo a prezzo di un elevato impegno economico e tecnologico.

 

L’eventuale introduzione di errori nel modello sismostratigrafico da parte dei metodi più “speditivi” è in buona parte superabile attraverso l’utilizzo congiunto di più metodologie.

 

La recente messa a punto di metodi “Olistici” permette la determinazione di un “solido” modello della sismostratigrafia locale, usando in maniera congiunta dati acquisiti con una strumentazione estremamente semplice, in grado tra l’altro di aumentare notevolmente la profondità di indagine, particolare non trascurabile per gli studi di Risposta Sismica Locale.

 

In pratica si propone l’utilizzo di un software “integrato” come HoliSurface, dedicato alla modellazione delle onde superficiali sia di sismica attiva che passiva e che, attraverso l’inversione congiunta dei risultati provenienti da due diverse tipologie di indagine, conduce alla ricostruzione del modello sismostratigrafico necessario alla definizione dell’azione sismica di sito, fondamentale in qualsiasi serio studio di vulnerabilità sismica.

 

Utilizzando la metodologia proposta, questo aspetto del problema può essere risolto nel minor tempo possibile, con un’attrezzatura ridotta e con la massima efficienza ed affidabilità del risultato. Utilizzando ad esempio una sola terna geofonica ed eseguendo sia misure passive del campo dei microtremori ambientali, che misure di sismica attiva con appropriate e diverse configurazioni sia in onde di Rayleigh che di Love.

 

È doveroso a questo punto un inciso importante. A dispetto della relativa facilità di acquisizione dei dati di alcune tecniche geofisiche, spesso estesamente usate per la loro economicità, la fase interpretativa richiede operatori dotati di approfondita esperienza, in grado di gestire procedure di trattamento del segnale che unitamente ad una analisi congiunta con altri metodi o con altre procedure di acquisizione può portare ad una definizione più solida del modello geofisico di riferimento.

 

Detto questo, acquisiti i segnali sismici ed immessili in HoliSurface si ricava dalla sismica attiva lo spettro d’inversione della velocità di fase delle onde superficiali e, attraverso l’inversione, il profilo di velocità delle onde S, ottimizzandolo mediante la migliore sovrapposizione tra la curva HV teorica, ottenuta dal modello desunto dalla simica attiva, e la curva HV sperimentale ottenuta dalla misura HVSR.

 

Ottenuto un solido modello sismostratigrafico si passa al secondo aspetto della metodologia proposta: la definizione dell’azione sismica locale, ossia del probabile terremoto in funzione delle zone sismogenetiche più vicine, del periodo di ritorno dell’evento e dell’importanza dell’opera ingegneristica oggetto di verifica (da costruire o già esistente che sia); tutto quell’aspetto cioè che va sotto la definizione di Risposta Sismica Locale (RSL) mediante la quale si ricavano gli accelerogrammi e/o gli spettri di sito col quale verificare dinamicamente la struttura ingegneristica.

 

La definizione dell’azione sismica locale di riferimento deve necessariamente passare attraverso due livelli: macrozonale e microzonale.

 

Nel primo livello, che ha un carattere specificamente pianificatorio, il territorio nazionale viene suddiviso in aree di diversa pericolosità in base a dati statistico-storici, legati alla probabilità che un evento sismico di una certa entità possa accadere in una determinata area e entro un determinato periodo di tempo. E’ chiaro che questa probabilità è legata principalmente alla posizione dell’area rispetto alle zone sismogenetiche del territorio italiano.

 

Nel secondo livello si determina come e quanto le caratteristiche geostratigrafiche, geomorfologiche e geodinamiche di un determinato sito possono modificare le onde sismiche provocate da un meccanismo sismogenetico. La presenza infatti di spessori di una certa entità di sedimenti incoerenti, di particolari morfologie superficiali e/o sepolte del bedrock ed in generale il diverso comportamento dinamico delle formazioni litologiche, possono provocare l’amplificazione delle onde sismiche, specialmente su determinate frequenze.

 

In tal senso le NTC prevedono la classificazione di un sito in base all’appartenenza ad una determinata categoria sismica del sottosuolo, basandosi sul valore della velocità media equivalente delle onde sismiche trasversali nei primi 30 metri (Vs30). Ciascuna categoria prevede una determinata amplificazione, di cui si deve tenere conto sia in ambito progettuale di una qualsiasi costruzione, sia in ambito di adeguamento di una struttura già esistente.

 

In realtà esistono due diversi livelli di approccio alla definizione dell’azione sismica locale; il primo è quello precedentemente descritto, di tipo semplificato, che prevede che una volta definita la classe sismica dei terreni di fondazione e la tipologia topografica, si introducano dei coefficienti correttivi a modificare l’azione sismica di base; il secondo, che è quello che si propone in questa metodologia, è più complesso, ma anche assai più preciso, che porta alla determinazione della Risposta Sismica Locale (RSL) mediante programmi di simulazione in cui come input vengono introdotti il modello sismostratigrafico del sottosuolo, precedentemente ottenuto mediante le tecniche sopra spiegate (fino alla profondità del bedrock sismico) e l’azione sismica di base, e come output si hanno diverse funzioni tra cui le più importanti sono la Funzione di Trasferimento, gli Spettri di Risposta Elastici e quelli di Fourier.

 

Ai fini progettuali del nuovo o dell’adeguamento sismico del già costruito è inoltre fondamentale conoscere, per un determinato sito, quali frequenze delle onde sismiche sono soggette ad amplificazione, per evitare dannosi fenomeni di risonanza dovuti alla coincidenza (o perlomeno vicinanza) tra queste e le frequenze naturali delle strutture civili.

 

Una volta definiti il quadro litotecnico, l’azione sismica locale e le frequenze di risonanza dei terreni di fondazione, è importante la conoscenza delle frequenze delle strutture per le quali si può verificare la doppia risonanza.

 

In questa fase entra in gioco il terzo aspetto della metodologia proposta: la definizione del comportamento dinamico della struttura ingegneristica oggetto di verifica di vulnerabilità sismica.

 

Se la verifica riguarda un struttura in fase di progettazione l’azione sismica appena definita viene confrontata con un modello teorico della stessa definito matematicamente attraverso l’utilizzo di un software ingegneristico di simulazione dinamica, e nel caso di convergenze scaturite dalla sovrapposizione dello spettro di sito con le frequenze teoriche della costruenda struttura, il progettista può ricalibrare il progetto per evitare pericolosi fenomeni di risonanza.

 

Nel caso di struttura già esistente, la metodologia che proponiamo prevede uno studio sperimentale dinamico della stessa.

 

Lo studio della dinamica delle strutture ingegneristiche (edifici, ponti, monumenti ed opere umane in generale) ha come scopo quello di definirne la “carta d’identità dinamica”.

 

Definire la carta d’identità dinamica di una struttura significa ricostruirne le forme modali (e le frequenze proprie e gli smorzamenti associati a ciascuna di queste) che la struttura assume quando è sollecitata dinamicamente. Ciò può essere fatto sperimentalmente. Infatti qualsiasi struttura artificiale e/o una parte di essa, se sollecitata meccanicamente e lasciata oscillare liberamente, vibrerà con frequenze e deformate dipendenti dalle sue caratteristiche geometriche, di massa e dalle sue caratteristiche di rigidezza.

 

Se negli studi di RSL uno degli obiettivi è quello di definire la Funzione di Trasferimento dei terreni di fondazione, nella dinamica delle strutture artificiali questo obiettivo è quello principale. Definire la Funzione di Trasferimento delle strutture significa definirne i modi di vibrare e le frequenze e smorzamenti associati da confrontare con l’azione sismica.

 

Per definire la Funzione di Trasferimento di una struttura artificiale è necessario conoscere l’input dinamico e misurare la risposta dinamica associata. Non sempre è possibile conoscere matematicamente l’input dinamico, anzi il più delle volte non lo è, e quindi per ottenere le frequenze proprie della struttura si usano metodologie basate sul trattamento matematico statistico dei dati dinamici misurati e registrati in diversi punti della struttura.

 

Posizionando infatti dei vibrometri (accelerometri, geofoni o sismometri) in alcuni punti notevoli delle strutture, e sollecitando meccanicamente tali strutture, o sfruttando fonti di energizzazione meccanica naturalmente presenti all’intorno, è possibile, attraverso un’analisi correlata dei segnali provenienti dai vari punti, ricostruire una sorta di carta d’identità della struttura in cui compaiono le proprie frequenze di risonanza, legate ai vari modi di vibrare (flessionale, tangenziale, torsionale).

 

La metodologia che si propone per questo aspetto della problematica generale, è che a partire dall’utilizzo simultaneo di due o più terne geofoniche (con minimo 2 Hz di frequenza propria e con una sensibilità molto spinta), sincronizzate temporalmente mediante GPS, è possibile effettuare delle misure multicanale sincrone. L’esame successivo con HoliSurface permette di effettuare un’analisi di auto-correlazione e cross-correlazione e di estrarre così dagli spettri di risposta il contenuto in frequenza relativo al comportamento proprio dinamico della struttura, scartando le frequenze dovute alle forzanti o a rumori random, e permettendoci di ottenere la “carta d’identità dinamica” della struttura da confrontare con l’azione sismica locale precedentemente definita.

 

A completamento di tale iter procedurale può essere condotta, infine, una simulazione dinamica teorica della struttura di ausilio alla fase sperimentale, al fine di definirne meglio le caratteristiche dinamiche e di assodarne la Vulnerabilità sismica mediante la verifica della sua resistenza alle azioni sismiche precedentemente definite.

 

Inoltre questo aspetto della metodologia può essere utilizzato anche per lo studio di pericolose convergenze tra le frequenze delle strutture e quelle di eventuali eccitatori artificiali (attività di cantiere, di cava, traffico stradale e ferroviario, ecc), ma anche per il monitoraggio nel tempo dell’eventuale decadimento delle caratteristiche di rigidezza delle strutture.

 

Riassumendo, l’iter procedurale completo che si propone, per la definizione del rischio e della vulnerabilità sismici a cui è soggetta una determinata opera ingegneristica, prevede:

 

  • Definizione del modello sismostratigrafico mediante tecniche HoliSurface;
  • Definizione dell’azione sismica locale attraverso l’applicazione di studi di RSL, compresa l’esplicitazione delle frequenze di risonanza del terreno di fondazione;
  • Ricostruzione teorica del comportamento dinamico della struttura mediante simulazione numerica, in caso di progetto in fase di realizzazione; oppure definizione sperimentale del comportamento dinamico della struttura, e volendo, in maniera più esaustiva, anche con il supporto della simulazione teorica, in caso di opera già esistente;
  • Confronto tra l’azione sismica precedentemente definita ed il comportamento dinamico naturale della struttura.